Bioenergia Biomassza biodzel bioetanol s biogz Biomassza Az

Bioenergia Biomassza, biodízel, bioetanol és biogáz

Biomassza Az ökológus szemében a biomassza valamely élettérben egy adott pillanatban jelen lévő szerves anyagok és élőlények összessége. A biomassza mennyisége megadható az egyedek számában, tömegében, energiatartalmában.

Biomassza n elsődleges biomassza: természetes növényi vegetáció, energianövények; n másodlagos biomassza: természetes állati vegetáció, állattenyésztés fő- és melléktermékei, hulladékai; n harmadlagos biomassza: bioeredetű anyagokat felhasználó iparok fő- és melléktermékei, hulladékai, települések szerves hulladékai.

Biomassza n A biomassza természetes, megújuló, biológiai eredetű energiahordozó, amely a Nap energiáját másodlagosan, szerves organizmusokban való megkötéssel tárolja. n Fitomassza: szilárd biomassza – dendromassza: fa és faszármazékok n Biogáz: légnemű biomassza n Biodízel, bioetanol: folyékony biomassza

Biomassza Biológiai eredetű szerves anyag: n a szárazföldön és vízben található élő és elhalt szervezetek (növények, állatok, mikrobák) testtömege n biotechnológiai iparok termékei n különböző transzformálók (ember, állatok, feldolgozó iparok stb. ) összes biológiai eredetű terméke, hulladéka, mellékterméke

Biomassza A biomassza (elsődleges) tárolt napenergia: CO 2+H 2 O+fény+klorofil → CH 2 O+O 2

Biomassza A fotoszintézis hatásfoka (hasznosítási foka): ηF = ηλ·ηgeom. ·ηreak. ·ηresp. ηλ: hasznosítható hullámhossz tartomány (0, 4. . 0, 5); ηgeom. : geometriai hatásfok (visszaverődés, elnyelődés, mennyi jut el a klorofilhoz, ~0, 8); ηreak. : kémiai reakció hatásfoka (~0, 4); ηresp. : párolgási és hőveszteségek (0, 4. . 0, 5). Eredő hatásfok: ηF = 2. . 5%.

Elegendő? n Éves átlagos primer energiahordozó teljesítmény-igény a világon: 16 TW n Alacsony konverziós hatásfok → nagy területigény 13 m 2 – szükséges terület: 3, 2· 10 szükséges terület: 14 m 2 n A szárazföldek területe: 1, 3· 10 A szárazföldek területe: – területigény 25% (energiaültetvény) n A fotoszintézis teljesítménye: ~90 TW.

Biomassza Tulajdonságok n Egyszerre hulladék és nyersanyag n Nagy mennyiségben áll a rendelkezésünkre n Alkotóit nagyrészt újra lehet hasznosítani (megújuló energiaforrás) n Jelentős szerephez juthatna a vegyi és energiafolyamatokban

Biomassza Alkalmazási előnyök n Ökológiai okok, mivel általuk a kémiai és energia-körforgások (CO 2) nagymértékben bezárulnának n A fosszilis nyersanyagok korlátozottan állnak rendelkezésünkre, ami határt szab felhasználásuknak n Alternatív termékláncot alakít ki a mezőgazdasági hulladékoknak

Biomassza Alkalmazási hátrányok n Gazdaságilag egyelőre nem kifizetődő, ráfizetést igényel magas rizikófaktorral n A fosszilis, nem megújuló, nyersanyagok olcsóbbak, mint a mező- és erdőgazdasági melléktermékek n A természeti és gazdasági körforgásokban keletkező biomasszát nyersanyagként általánosan elutasítják

Biomassza felépítése Fő alkotóelem: lignocellulóz Jellemzői: n polimorf (kristályos, amorf) makrostruktúra; n heterogén összetétel (cellulóz, hemicellulóz, lignin); n egyes tulajdonságai függnek a – polimerizáció fokától, – felülettől, – lignin eloszlástól.

A lignocellulóz alkotóelemei Lignin: fenolos hidroxi- és metoxi csoportokat tartalmazó bonyolult szerkezetű aromás polimer a C a 10 H 12 O 3 alkohol kondenzációjával és polimerizációjával jön létre; n molekulatömege nagy (10000 körüli); n felső fűtőértéke ~20 MJ/kg. n

A lignocellulóz alkotóelemei Hemicellulóz n 5 (D-xylóz és L-arabinóz) és 6 (D-galaktóz, Dglükóz, és D-mannóz) szénatomos cukrokból, valamint uronsavakból épül fel; n amorf szerkezetű; n viszonylag egyszerűen cukrokká hidrolizálható.

A lignocellulóz alkotóelemei Cellulóz n hosszú D-glükóz lánc (kristályos); n a biomassza fő alkotóeleme; n stabil képződmény (erős kötések); n felső fűtőértéke ~14 MJ/kg.

A biomassza mint nyersanyag

Biomassza mint nyersanyag Lignocellulózokból cellulóz n hemicellulóz n lignin n n cukor cukrok etanol, butanol ragasztóanyagok bioalkohol (fermentációval) n olajok biodízel (átészterezéssel) biogáz (anaerob fermentációval)

Hasznosítási lehetőségek Nyersanyagként, energiaforrásként átalakítás nélkül. Felhasználása hő- és áramtermelésre jó hatásfokú (kapcsolt) erőművekben már ma lehetséges (pl. Pécsi Erőmű Rt. Budapesti Hulladékhasznosító). Ilyen felhasználás esetén - aprítani, - szárítani, valamint - hulladékok és melléktermékek esetében granulálni szükséges a biomasszát.

Hasznosítási lehetőségek Átalakítják üzemanyaggá, ami hasonló vagy ugyanolyan módon használható fel, mint a fosszilis üzemanyagok. Kémiai átalakítás - szintézisgáz bio-dízel bio-olajok Biológiai átalakítás - bio-gáz bio-hidrogén bio-etanol Bio-finomítók energetikai ipar és közlekedés különböző alapanyagok és energiahordozók

Melléktermékek hasznosítása Lucfenyő Összetételük Hasznosítási lehetőségük u Cellulóz [38. . 45%] üzemanyag-etanol termelés u Hemicellulóz [25. . 40%] Kukoricaszár Fűzfa u Lignin [20. . 25%] a folyamat energiaellátása (szilárd tüzelőanyag)

Szilárd biotüzelőanyagok Fitomassza és dendromassza

Fitomassza Az energiacélú felhasználásra alkalmas fitomassza források a következők: n Az erdőgazdálkodás és a fafeldolgozás alkalmas fő- és melléktermékei, ill. a fás területek metszési hulladékai. n Természetben keletkező nem fás növényféleségek (pl. nád). n Az élelmezési célú növénytermesztés és -feldolgozás szilárd melléktermékei (szalma, kukoricaszár, napraforgóhéj stb. ). n Az energiacéllal termelt növényi anyagok (energiafű, rostkender, repce, kender stb. ).

Fitomassza jellemzők Elemi összetétel fajta szerint Cukornád Fahulladék Olajpálma maradék C% H% N% S% 44, 60 6, 20 0, 50 C% H% N% S% 53, 3 5, 50 0, 23 <0, 05 C% H% N% S% 45, 9 5, 80 1, 20 0, 20 O% Cl% 46, 84 - O% Cl% 38, 90 0, 49 O% Cl% 40, 10 0, 40

Fitomassza jellemzők Elemi összetétel fajta szerint Kukoricaszár Rizshéj C% H% N% S% 39, 60 5, 17 1, 78 0, 38 C% H% N% S% 36, 10 4, 80 0, 29 <0, 02 O% Cl% 34, 60 - O% Cl% 35, 90 -

Szarvasi energiafű n n n Toleráns, igénytelen; 10. . 15 évig termeszthető; Szárazanyag: 10. . 23 t/(ha·a); Fűtőérték: 14. . 18 MJ/kgsza; Ipari alapanyag is lehet; Élőhely.

Szarvasi energiafű C% 44, 60 H% 4, 30 N% 0, 40 S% 0, 10 O% 40, 10 Cl% 0, 003

Szarvasi energiafű Hasznosítás, feldolgozott termékek

Folyékony bioüzemanyagok Bioetanol, biodízel

Etanolgyártás szilárd maradék előkezelés fizikai előkezelés aprítás, őrlés, gőzrobbantás, nedves oxidáció enzimes hidriolízis fermentáció desztilláció biokémiai lebontás biológiai erjesztés speciális enzimek oxigénmentes körül- az alkohol fizikai kinyerése által mények között

Etanolgyártás Lignocellulóz alapanyag Előkezelés Enzimfermentáció ! Pentóz Elválasztás, mosás Pentóz fermentáció Cellulóz Lignin Hidrolízis Hasznosítás Celluláz enzimmel vagy Hexóz savasan fermentáció Et. OH Desztilláció

Előkezelés Szükséges, mert n A lignocellulóz komplex & kompakt szerkezete akadályozza az enzimek hozzáférését a cellulóz polimerhez. n A cellulóz igen rendezett, tömör struktúrájú kristályos szerkezetű.

Előkezelés Fizikai őrlési, aprítási eljárások cél: a fajlagos felület növelése Kémiai Biológiai Lignint bontó mikroorganizmusok cél: a komplex szerkezet megbontása

Kémiai előkezelés • savas oldja a hemicellulóz frakciót, és kisebb mértékben a lignint • lúgos duzzasztja a cellulózt, oldja a lignint és oldatba viszi a hemicellulózt • szerves oldószeres • gőzrobbantás eltávolítja a lignint megváltozik a struktúra, a hemicellulóz frakció oldatba megy

Biológiai átalakítás Nyersanyag Enzim Termelés Simultaneous Saccharification and Fermentation (SSF) Előkezelés Hidrolízis Etanol Fermentáció Etanol Kinyerés Separate Hydrolysis and Fermentation (SHF)

Erjesztés (fermentáció) - SSF Élesztő Celluláz enzim Egyszerre történik a cellulóz hidrolízise és alkohollá történő fermentációja Bioreaktor/fermentor Cellulóz

Erjesztés (fermentáció) - SHF Először lebontják a cellulózt celluláz enzimmel, majd az így kapott cukrokat élesztő segítségével alkohollá fermentálják, a hagyományos alkohol előállítási technológiát követve. Az SHF esetében külön lehet optimálni a két folyamatot, ami azért lehet előnyös, mert a hidrolízis és a fermentáció p. H és hőmérséklet optimuma jelentősen eltér egymástól.

Fermentációs technológiák Előnyei SHF SSF Hátrányai Optimális Magas beruházási paraméterek mindkét költségek. lépésnél Alacsonyabb Az enzim és a beruházási költségek. mikroba optimális paraméterei eltérnek.

Elvárások és előírások Az Európai Közösség vállalása a közlekedési szektorra Az Európai Parlament és Tanács 2003/30 irányelve (2003. V. 08. ) A Tagállamoknak biztosítaniuk kell, hogy piacaikon minimális arányban jelen legyenek a bioüzemanyagok és más megújuló energiát hasznosító üzemanyagok. E cél eléréséhez nemzeti előirányzatokat kell felállítaniuk.

Elvárások és előírások EK 2003/30 n A referenciaérték minden esetben az adott ország piacán jelenlévő összes közlekedési célra használt benzin és dízelolaj energiatartalmának: – 2%-a – 5, 75%-a n 2005. december 31 -től, 2010. december 31 -től. Felhasználási lehetőségek: – tiszta üzemanyagként, – ásványi olaj származékokba kevert bioüzemanyagként, – bioüzemanyagokból származó adalékanyagként (oxidációt segítő MTBE és ETBE metil/etil-tercier-butil-észter).

Elvárások és előírások Hazai vállalás n 2233/2004. (IX. 22. ) Korm. Határozat Magyarország vállalása: – 2005: – 2010: n 0, 4 -0, 6% 2, 0% A vállalásunk tehát: (+) nagyon szerény, de legalább elmozdulás a nulláról (–) Magyarország mezőgazdasága ennél sokkal többre is képes

Magyarországi lehetőségek n Biodízel (napraforgó, repce, szója, ricinus, len) – Kunhegyes – Mátészalka – Mosonmagyaróvár n Bioetanol (cukorrépa, kukorica, búza, burgonya) – Győri Szeszgyár és Finomító Rt. – Szabadegyházai Keményítő és Izocukor Gyártó Kft.

Etanol keményítőből A keményítő forrása: kukorica keményítő élelmiszeripari alkohol • mint élvezeti cikk, • több ezer éve ismert, • kukoricából készül a bourbon (amerikai) whiskey keményítő üzemanyag alkohol • üzemanyagként 80 -100 éve, • nagyobb volumenben 30 éve • főleg az USA-ban

Biodízel Mi a biodízel? A biodízel olyan folyékony üzemanyag, mely hosszú szénláncú zsírsavas alkil-észter vegyületekből áll és növényi olajból vagy állati zsiradékból állították elő. A biodízel mint márkanév a repceolajzsírsav-metilésztert (RME) jelenti.

Biodízel Alapanyagok n 80. . 90% növényi olaj (napraforgó, repce, pálma stb. ; tisztított sütőolaj); n 10. . 20% alkohol (metil- vagy etil-alkohol); n 0, 35. . 1, 5% katalizátor (Na. OH vagy KOH).

Biodízel Előállítás: átészterezéssel 1000 kg olaj + 110 kg metanol → 110 kg glicerin + 1000 kg metil-észter

Át-észterezés Rn: hosszú szénláncú zsírsav molekula

Biodízel Katalizátor Növényi olaj Metanol 0, 5. . 1, 5 kg 100 kg 10 kg + többlet Savazás Glicerin Észterek Reakció és szétválasztás telítetlen zsírsavak Szennyvíz 0. . 100 kg Víz 1. . 100 kg Mosás 0. . 1 kg Többlet metanol Metanol kinyerés 50. . 99% Glicerin Biodízel 10 kg 95. . 100 kg

Biodízel Előnyök n n n n Biológiailag lebomló anyag Használt olajok is feldolgozhatók (éttermek) Nem tartalmaz kén és halogén vegyületeket Csökkenő szennyezőanyag kibocsátás (CO, elégetlen CH, korom) Csak 5% teljesítménycsökkenés A glicerint a kozmetikai ipar felhasználhatja A járművet nem kell átalakítani Könnyen előállítható (egyszerű technológia)

Biodízel Hátrányok n n n előállítása energiaigényes (fosszilis energiahordozó → nincs vagy csekély CO 2 megtakarítás); energetikai növénytermesztés → monokultúrák; a termesztés- vegyszer és műtrágyaigényes → talaj és vízszennyezés; a feldolgozás során N 2 O (üvegház-gáz) és NH 3 (savasodás) keletkezik; előállítása költséges; kenőolaj károsító hatás → gyakori olajcsere.

Légnemű biotüzelőanyagok Biogáz

Biogáz A biogáz szerves anyagok oxigénmentes bomlása során képződő, a földgázhoz hasonló légnemű anyag. A folyamat magától végbemegy n mélyvízi tengeröblökben, n mocsarakban, n hulladéktároló telepeken.

Biogáz A biogázképződés feltételei n biodegradálható szervesanyagban gazdag környezet; n oxigénmentes (aerob) környezet; n 6, 5 – 8, 5 közötti p. H; n 30 – 60 °C közötti hőmérséklet (lebontási módszertől függően); n 50%-nál nagyobb víztartalom; n a különböző tápelemek (C, N, P) megfelelő aránya; n toxikus (mérgező) vegyületek hiánya.

Biogáz Kiinduló anyagok és gázkihozatal Hulladék típusa Sertés trágya Marha trágya Biogáz kihozatal, m 3/t 16. . 25 15. . 23 Halfeldolgozás (halolaj) 700. . 1000 Margaringyártás melléktermékei (zsírok, olajok) 1000. . 1100 Vágóhídi hulladék Szennyvíziszap 100. . 300 150. . 300

Biogáz Gázképződés főfolyamata 1. Hidrolízis 2. Savképzés 3. Acetogenezis 4. Metántermelés A gázképződés mellékfolyamata: n n n szulfátredukció (bakteriális) szulfát + kénvegyületek → hidrogén-szulfid + fémsók → oldhatatlan szulfidok

Biogáz Gázképződés 1. Savképzés A komplex organikus makromolekulák monomerekre bontódnak. Az így keletkezett rövidebb molekulák már vízoldhatóak, ezért a baktériumok sejtmembránjain át tudnak hatolni. Hidrolitikus baktériumok: extracelluláris enzimek → hosszabb szénláncú zsírsavak, szén-dioxid, hidrogén.

Biogáz Gázképződés 2. Savképzés A hidrolízis eredményeképpen keletkezett molekulák (zsírsavak és egyebek) részben ecetsavvá és egyéb savakká (propionsav, vajsav, ill. etanol stb. ) alakulnak. Baktériumok: hosszú szénláncú zsírsavak → intermedier szerves savak, szén-dioxid, hidrogén.

Biogáz Gázképződés 3. Acetogenezis Az előző lépések közbenső termékei ecetsavvá alakulnak. Baktériumok: intermedier szerves savak → ecetsav.

Biogáz Gázképződés 4. Metántermelés A metanogén baktériumok az ecetsavat és a hidrogént metánná alakítják. Metanogén baktériumok: ecetsav + hidrogén + szén-dioxid → metán.

Biogáztelepek Mezofil (30 -37°C): A mezofil tartományban a hőfok fokozatos emelésével a 35°C körüli maximum után, 40°Con túl aktivitás-csökkenést tapasztalunk, melynek oka a pusztulási sebesség növekedése és a hozamkonstans csökkenése. n Termofil (50 -65°C): A baktériumok lízise ebben a hőmérséklet-tartományban gyors, ezért csak exponenciális növekedés feltételei közt tudnak fennmaradni. A gáztermelés sebessége a termofil zónában 25 -50%-kal nagyobb, mint a mezofil tartományban. A termofil spektrum szűkebb, ezért a hőmérséklet precízebb szabályozása szükséges. A toxikus anyagokra is érzékenyebbek ezek a baktériumok, de a magasabb hőmérséklet miatt a patogén mikroorganizmusok és a féregpeték eliminációja jobb. n

Biogáztelepek Centralizált biogáztelep n nagy kiterjedésű területről gyűjt; n hulladékmegsemmisítőként funkcionál; n tárolóként is működik; n saját (kombinált ciklusú) erőművel rendelkezik; n nagyméretű fermentorok; n teljesen kiépített infrastruktúra, n példa: szennyvíztisztító biogáztelepe.

Biogáztelepek Centralizált biogáztelep Előnyök Hátrányok Távhőellátásra is alkalmas hőteljesítmény. Nagy szállítási költségek. Méretgazdaságosság. Precíz csíramentesítés az átfertőződések megelőzésére. Nem szükséges nagy beruházás a gazdálkodóknál. Szállítójárművek folyamatos fertőtlenítése. Központosított trágyaelosztás. Jó gázkihozatalú nyersanyagoktól való függés.

Biogáztelepek Telephelyi biogáztelep n n állattartó telepekre, mezőgazdasági termelőhöz épített biogáz-üzemekre a kis méret jellemző, külső hulladék nincs vagy csekély mennyiségű, kapcsolt energiatermelés itt is elsődleges, a keletkezett hőt és a trágyát helyileg próbálják felhasználni.

Biogáztelepek Telephelyi biogáztelep Előnyök Hátrányok Alacsony szállítási költség (esetleg Fajlagosan drága beruházás. nincs). Hulladék ártalmatlanítás a keletkezés helyszínén. Hőigény biztosítandó. Megfelelő nagyságú trágyafelvevő termőföld.

Hulladékhasznosítás (0, 4. . 0, 5 millió lakos: 20 MWe, 30 MWt) Tüzelőanyagelőkészítés kommunális hulladék Válogatás szervesben dús feldolgozás szervetlen anyagban dús fém deponálandó (nem éghető) Gázmotor erőmű fermentor biogáz gázmotor villamos energia Hőhasznosítók fermentációs maradék hő Fluidtüzelésű forróvízkazán

Depóniagáz Hulladéklerakó-telepeken fejlődő, jellemzően CH 4 és CO 2 tartalmú éghető gáz. Lehetőségek: n elfáklyázás, n energetikai hasznosítás.

Depóniagáz Hulladéklerakó életciklusa 1. fázis: aerob bomlás (bakteriális) → rövidebb szénláncú sz. a. <sz. a. >+O 2 → CO 2+H 2 O+NH 3+hő NH 3+O 2 → NO 3 időtartam: nap. . hónap 2. fázis: anaerob savképződés (bakt. ) → szerves savak és alkoholok → erősen savas kémhatás

Depóniagáz Hulladéklerakó életciklusa 3. fázis: savátalakulás (bakteriális) → más típusú szerves savak (ecetsav) a depónia kémhatása semlegesközeli megkezdődik a metántermelés savképző bakt. elpusztulnak 4. fázis: anaerob bomlás (bakteriális) → stabil metántermelés időtartam: ~20 a

Depóniagáz Metanogenezis (metántermelődés) CH 3 COO- + H 2 O → CH 4 + HCO 3 ecetsav + víz → metán + karbonát 4 H 2 + CO 2 → CH 4 + 2 H 2 O hidrogén + szén- → metán + víz dioxid

Depóniagáz

Depóniagáz Metánhozam: Korlátok: • nem minden szervesanyag bomlik (lignin, műanyagok); • nedvességtartalom; • mérgező anyagok (toxinok); • becsomagolt részek (műanyag zacskóban).

Depóniagáz A metánhozam időfüggő G – gázhozam, térfogat/idő; Mi – nedves hulladékmennyiség az i-edik évben; L 0 – fajlagos gázhozam, térfogat/tömeg (100. . 170 m 3/kt); ti – az i-edik évben lerakott hulladék kora, a; k – skálázási konstans, 1/idő (~0, 04. . 0, 05), n – periódusok (lerakások) száma.

Depóniagáz Nyomgázok (<0, 6 %vol) n „szagos” komponensek n aromás vegyületek n klórtartalmú vegyületek n PAH-k n alkoholok

Depóniagáz Gázkitermelő kút

Depóniagáz Gázgyűjtő rendszer (aktív)

Depóniagáz Energetikai technológiák n belsőégésű gázmotor; n gázturbina; n mikrogázturbina; n gőzkazán és gőzturbina; n külső tüzelésű gázmotor (Stirling-motor). *